Вода

Определение "Вода" в словаре Брокгауза и Ефрона

Вода — С древнейших времен стали понимать великое значение воды не только для людей и всяких животных и растительных организмов, но и для всей жизни Земли. Некоторые из первых греческих философов ставили воду даже во главе понимания вещей в природе, и вся древняя мудрость признавала воду стихиею мира, то есть первозданным, или исходным, веществом. Роль В. в природе громадна, но это отнюдь не первозданная стихия; без нее нельзя обойтись в понимании множества природных явлений, но она не составляет причины или исхода всех их, потому что инертная сама по себе вода становится носительницею силы и возбудительницею громадного множества явлений в природе лишь в силу того, что она поглощает и распределяет энергию солнечных лучей; предоставленная же действию мировых сил природы — без солнечного тепла — В. дает полярные льды, среди которых жизнь и всякое движение замирают. Следовательно, понимание значения воды может получиться только при знакомстве с отношением ее к теплоте и другим силам и веществам, что и заставляет начинать статью о В. с трех отделов: о физических свойствах воды, о химических отношениях ее и о воде в природе. Но так как природные воды обладают весьма неодинаковыми качествами, как видим, напр., при сличении свойств воды морской, минеральной и пресной, то прежде всего должно сделаться ясным, что под именем воды (по-латыни Aqua, откуда знак воды Aq., часто применяемый в науке, а от греческого наименования воды (hydros) происходят названия: гидраты, гидролиз, гидравлика и т. п., которыми выражается участие в них воды, см. эти слова) — подразумевается то общее начало, которое содержится во всяких водах природы. Такую В. называют химически чистою водою. Она получается через перегонку природных видов В. (см. ниже, V) и через сгущение (при охлаждении) водяных паров. Вода дождей получается в природе тем же способом испарения и сжижения, а потому дождевая вода до некоторой степени может считаться образцом чистой воды (см. III и IV) и во множестве случаев (например для составления некоторых лекарств, в фотографии и т. п.) может заменять перегнанную воду. Но обе они, сжижаясь среди воздуха, растворяют газы воздуха и поглощают из него другие вещества (пыль, соли и проч., см. Воздух), в нем находящиеся, а потому не могут считаться за совершенно чистую воду, какая требуется в некоторых научных исследованиях, напр., при определении веса кубической меры воды, при точном определении ее растворяющей способности, при сравнении гальванического сопротивления ее растворов и т. п. Приготовление действительно абсолютно чистой воды особенно затрудняется тем обстоятельством, что вода действует химически на обыкновенные виды сосудов (из стекла, фарфора, обык. металлов и т. п.) и при перегонке природных видов В. вместе с нею переходят в парообразное состояние хотя весьма мало летучие, но всегда в дистиллированной и дождевой В. находящиеся количества некоторых органических (углеродистых) веществ. Поэтому получение совершенно чистой В. требует употребления: 1) платиновых (или золотых) сосудов, п. ч. на платину вода не действует, 2) предварительного разрушения (превращения в газы и нелетучие тела) органических подмесей, что делается при помощи перегонки воды с хамелеоном (см. это слово и Марганец) и 3) новой перегонки в платине и в среде или струе воздуха, очищенного через промывку в воде и процеживание через длинный слой ваты, чтобы могли поглотиться только газы и 4) сохранение в платиновом (но не стеклянном) сосуде среди безвоздушного пространства, в которое выделяется поглощенный воздух. Только такая В. сохраняется беспредельно долго, не загнивая, то есть не давая места развитию плесени и вообще микроорганизмов, тогда как дождевая и обыкновенная перегнанная В. при долгом сохранении почти всегда загнивает, как и всякая природная В., исключая некоторые минеральные воды (см. это слово). Говоря о физических и химических свойствах В. подразумевают именно такую совершенно чистую В., которую и приготовляют для нормальных определений. Но необходимо с самого начала ясно видеть, что множество свойств В. претерпевает лишь ничтожнейшее (в пределах точности опытов находящееся) изменение при переходе от совершенно чистой воды к обыкновенной дистиллированной, а иногда и к обыкновенной дождевой или пресной, потому что эти виды В. содержат в растворе очень мало посторонних веществ. Так, напр., плотность В. от растворения в ней воздуха (до насыщения) изменяется лишь настолько, что это изменение можно открыть только точнейшими из существующих способов, а именно, если чистая вода имеет плотность 1, то насыщенная воздухом — 0,999997 (Менделеев, "Исследование водных растворов", 1887, стр. 383). Однако другие свойства В., особенно химические, часто изменяются от малейшей подмеси растворенных веществ. Так, напр., железо в химически чистой воде не ржавеет, что происходит с ним очень легко в воде, содержащей воздух. Малое количество раствора хамелеона и серной кислоты окрашивают химически чистую В. в красный цвет даже при нагревании, а если взять обыкновенную дистиллированную В., содержащую органическую подмесь, то окрашивание исчезает. Многие горные породы совершенно иначе относятся к чистой В., чем к обыкновенной природной В., именно потому, что последняя содержит в растворе воздух, углекислоту и некоторые соли (см. X).

Важнейшие или необходимейшие сведения о В. распределены в следующих отделах: I. Физические свойства, II. Химические отношения воды, III. В. в природе, IV. В. для питья, V. Дистиллированная, или перегнанная, В., VI. Применение воды для паровиков, VII. В. в крашении, VIII. Сточные воды, IX. Вода в почве, X. Геологическая роль В.

I. Физические свойства В. часто (напр., плотность и теплоемкость) служат единицею для сравнения свойств других веществ. Вес В. служит мерилом для установления отношений между мерою объемов и веса (см. Десятичная система мер и весов); так, вес куб. сантиметра В. при 4° Ц. принимается за грамм, куб. дециметра (или литр) за килограмм, куб. метра за тонну и т. п.

В. относится к сравнительно небольшому числу веществ, весьма легко переходящих все состояния: твердое (лед), жидкое и газообразное (водяной пар); ее можно иметь при температурах от -10° (холода) до 0° Ц. даже единовременно во всех трех состояниях. Так, например, если некоторое количество воды ввести под колокол воздушного насоса и выкачивать воздух так, чтобы упругость оставшегося была ниже 4,57 млн. ртутного столба, то вода закипит, то есть образуется пар, и, расходуя теплоту для парообразования, охладится до 0°, так что превращается постепенно в лед. В парообразном состоянии вода может находиться при всяких температурах, но пары данной температуры при сдавливании переходят в жидкость, если упругость (или внешнее давление) их превзойдет известную меру, так что для парообразного состояния гранью служит эта наибольшая упругость, изменяющаяся с температурою. Так напр., при 100° Ц. наибольшая упругость водяных паров доходит до нормального давления атмосферы, или до 760 мм ртутного столба (считая ртуть при 0° и относя наблюдение к географ. широте в 45°). Если представить при давлении в 760 мм некоторое пространство наполненным парами В. при 100°, и, поддерживая эту температуру, станем увеличивать объем — пары будут расширяться подобно газу и не будут насыщать пространства (т. е. в то же пространство можно будет вмещать еще новое количество водяных паров), но давление будет уменьшаться по мере увеличения объема. Если же вместо разрежения станем сдавливать пары (все при 100°), то давление 760 мм возрастать не будет, а часть водяных паров перейдет в жидкое состояние. Таким образом, каждой температуре t (по Цельсию) отвечает свое наибольшее давление паров (h млн. ртути 0°), короче называемое просто упругостью паров (подразумевая — наибольшую возможную), а именно:

Жидкою В. может оставаться при данной температуре только тогда, когда находится под давлением равным или большим вышеуказанной упругости ее паров; в пространстве, не насыщенном парами [здесь входит понятие о парциальном давлении, если имеется, как в воздухе, смесь различных газов и паров, но предмет этот рассматривается особо в статьях: Парциальное (частное) давление и Пары], В. испаряется; если же пространство насытится парами, то часть В. остается в жидком виде, пока температура не достигнет "температуры абсолютного кипения" или "критической", ей свойственной, которая, по определению Дьюара (Dewar, 1884), лежит для воды около 370° (по данным 1891 г. Бателли: 364°,3). При этой температуре вода вся переходит в пар (см. Критическое состояние), следовательно, эту температуру должно считать высшею гранью жидкой воды. При охлаждении до 0°, как общеизвестно, вода переходит в твердое состояние, кристаллизуется в лед (см. это слово), но этот переход может замедляться при совершенном покое охлаждаемой воды, так что ее можно охлаждать даже до -10°, сохраняя в жидком виде. Такая переохлажденная вода от сотрясения и кусочка льда начинает давать твердые массы льда, но выделяющееся тепло повышает температуру остальной В., а потому часть ее, пока тепло не потеряется, остается в жидком виде и при образовании льда общая температура устанавливается 0°. Что касается до твердого состояния В., т. е. льда и снега (см. эти слова), то оно не существует при температурах выше 0°. Таким образом, как у жидкого, так и твердого вида В. есть абсолютные температурные пределы; только для парообразного состояния нет температурных пределов (лед сохнет или испаряется подобно воде жидкой даже при наинизших известных температурах), но зато есть предельные давления.

Перемена состояний В. обусловливается не только температурою, но и количеством тепла, потому что сопровождается или поглощением тепла, а именно при переходе твердого в жидкое и газообразное состояние и при переходе жидкости в пар, или же выделением тепла, если пар переходит в жидкость или эта последняя в твердое состояние (см. Плавление, Испарение). Определение Реньо и др. установили, что для перехода одной весовой части жидкой воды в пар (имеющий ту же t) при различных температурах расходуется различное количество теплоты, а именно: при 0° Ц. — 606 ед. тепла; при 50° Ц. 571 ед. тепла; при 100° Ц. — 534 ед. тепла; при 150° Ц. — 494 ед. тепла. Приближенно можно принимать до 200°, что при t° скрытое тепло испарения = 606-0,75 t. Это показывает, что расход тепла уменьшается с возвышением t и что можно ждать температуры, при которой он = 0. Этого и должно ждать при упомянутой выше температуре абсолютного кипения. При переходе льда в жидкость при 0° поглощается 80,0 ед. тепла (Бунзен), при -5° менее, а именно 76,7 (Петтерсон). Металлы (напр. Pb 5,8, Sn 13) и многие твердые тела поглощают, плавясь, обыкновенно менее тепла, чем В., а жидкости (напр. CS ₂ 90, Br₂ 51, CHCl₃ 70), испаряясь, поглощают менее тепла, чем В. [Это находит объяснение в том, что В. из всех жидкостей представляет наименьший химический частичный вес, и тепло, испаряющее количества, пропорциональные частичным весам для всех веществ, хотя не одинаково в точности, но близко, так как произведение из скрытой теп. испарения на частичный вес есть величина мало изменяющаяся для хорошо исследованных веществ (см. Частицы).]. Это имеет большое значение как в природе, так и в технике. Так, напр., в природе превращение водяных паров в жидкость (роса, дождь и т. п.) сопровождается выделением столь значительного количества тепла, что оно препятствует быстрому охлаждению, и, обратно, испарение В. препятствует накаливанию, а потому умеряет климат, чему содействует большая теплоемкость (см. это слово) В. и ее малая теплопроводность. Теплоемкость жидкой воды при 0° принимается за 1, при 50° она = 1,039, при 100°= 1,063 (Эттинген), следовательно, остается значительною при всех температурах и большею, чем у других жидкостей (напр., спирт 0,55, эфир — 0,53, ртуть — 0,033). Теплоемкость паров воды гораздо меньше, а именно лишь = 0,37, даже теплоемкость льда менее, чем жидкой В., а именно = 0,46. Поэтому как жидкая нагретая вода, так особенно водяные пары могут скоплять (пары в виде скрытого тепла) в себе много тепла, а потому их употребляет как природа, так и техника для передачи тепла. Так, напр., нагревание жилищ, перегонных сосудов (напр., см. Винокурение), испаряемых растворов (см. Выпаривание) и т. п. во множестве случаев с наибольшими удобствами производится при содействии нагретой воды или пропускаемых водяных паров. На том же свойстве В. (равно как по легкости иметь ее всюду в распоряжении) основано и применение ее для установления постоянных температур 0° и 100° в термометрах, принимая за исход — температуры таяния льда (чистого, при норм. давлении) и кипение воды (при нормальном давлении, см. Термометрия). Те же термические свойства В. служат основанием для ее применения в паровых и др. термических машинах, где механическая работа, в сущности, производится на счет тепла, развиваемого топливом и В., образуя пар или охлаждаясь, служит только посредником или передает работу тепла из очага действующим механизмам, подобно передаточному ремню или валу (см. Теплота, как движение [Множество практических задач техники решается на основании приведенных выше термических свойств воды, напр., спрашивается: какую температуру будет иметь (не теряя тепла) В., если к килогр. ее при t° присоединяется M килогр. паров, имеющих температуру 100°. Примем для простоты расчета (как потребно в технике) сред. теплоемкость жидкой B. = 1 и, заметив, что после смешения получится N + M воды, назовем искомую температуру через х. Очевидно, что M килогр. паров потеряют M (534+100-х) ед. тепла, а N кило В. приобретут N(x — t) ед. тепла и их разность = 0, откуда X[ (M634 + N_t)/(M + N)]. То же получится иначе, если сочтем, что в M паров было от 0° ед. тепла M 634, а в N воды было М _t ед, тепла, в смеси же будет (M + N)x, и сумма двух первых равна последнему.]). Из других физических свойств В. остановимся здесь [иные свойства В. напр., вязкость, теплопроводность, трение и т. п. рассматриваются в соответственных статьях Словаря] лишь на ее удельном весе (плотности), сжимаемости и сцеплении как на таких, которые явно находятся в связи с природными явлениями, техническими приложениями и вышеуказанною переменою состояний В. при нагревании.

Плотность В., или вес куб. меры ее, изменяется смотря по состоянию — жидкому, твердому и парообразному — и смотря по температуре. В прошлом столетии был (Делюк, Гильпин и др.) найден поразительный факт, что В. при температуре около 4° Ц. представляет наибольшую плотность, то есть данная масса ее при 4° занимает наименьший объем, или иными словами: жидкая В. от 0° при нагревании до 4° Ц. не расширяется, а сжимается и только после этой температуры с нагреванием увеличивает свой объем в отличие от всех почти других жидкостей, постоянно расширяющихся при нагревании. Точные определения изменений объема или плотности воды произведены затем многими исследователями. Особенно важны данные Галльштрёма (1823), Депре (1837), Пьерра (1847), Коппа (1847), Гагена (1855), Гирна (1867) и Росетти (1869). Обработкою сведений этого рода занимались вслед за Biot (1811) множество ученых, особенно же важны исследования Миллера (1856) в Англии, Франкенгейма (1852) в Германии и Макарова (1891) в России. Свод этих сведений дан Менделеевым в "Жур. Русс. физико-хим. общества" (1891 г.) и в "Philosophical Magazine" (1892); оказывается, что для жидкой воды все изменение плотности: от -10° Ц. (тогда вода переохлаждена) до +200° Ц. (в замкнутом пространстве, напр., в паровике) выражается формулою:
S_t = [(t — 4)²]/[(A + t)(B — t)C]

где S_t есть удельный вес жидкой воды (вес литра в килограммах) при температуре t (по Цельсию) при давлении в 1 атмосф., приняв плотность при 4° Ц. = 1; А = 94,1; В = 703,5 и С = 1,9.

В природе и при изучении влияния температуры на вещество изменения плотности и объема В. имеют весьма большое значение. В. водоемов охлаждается с поверхности от лучеиспускания, нагревается также с поверхности — от солнечной теплоты, слои же воды располагаются по относительной своей плотности. Пока В. нагрета до температур высших, чем 4° Ц., верхние слои будут теплейшими, как это и видим в нормальных условиях; но если охлаждение достигает до 4° Ц., то нижние слои будут теплее верхних, потому что при охлаждении плотность уменьшается. Следовательно, на поверхности В. достигается 0°, или температура замерзания, ранее, чем на дне водоема. Поэтому лед образуется в водоемах с поверхности, а не со дна или не с середины В., как и видим в природе (подробнее см. Лед в природе). Плавает лед по поверхности В. по той причине, что он еще легче, чем В. при 0°, а именно: при 0° куб. дециметр его весит 0,91674 килограмма (Бунзен). Воды соленые, напр., морская В., имеют также свою температуру наибольшей плотности, она, как и температура образования льда у такой В., лежит немного ниже, чем у чистой В. На дне океанов всюду, даже под экватором, хотя на различных глубинах, лежит слой такой тяжелейшей воды, притекающей от полюсов по дну, чем определяется уменьшение температуры В. в океанах по мере углубления (см. Океаны). Так как вес куб. меры, или уд. вес, В. изменяется как с температурою, так и с соленостью или содержанием растворенных веществ и так как соседние воды разной плотности, т. е. разной солености и температуры, смешиваются (диффундируют друг в друга) лишь медленно, то от этого зависит распределение воды разной плотности (внизу более холодной или более соленой, а сверху более теплой или менее соленой) на разных глубинах морей и океанов и те течения в океанах и морях, которые Мори живо описал, как реки среди океанов (напр., Голфстрём, несущий из тропиков теплую воду к западным берегам Европы). Этими течениями, идущими как по поверхности, так и по дну (а иногда и в середине толщи В., как показал, напр., не раз Макаров) воды разных плотностей стремятся достичь до устойчивого равновесия, а потому, напр., от полюсов по дну океана текут потоки холодной и тяжелой воды, а по поверхности океанов морские течения теплой воды от тропиков в средние широты. Прилив пресной воды, неравномерность глубины, ветры, очертания берегов и др. обстоятельства сильно влияют на направление этих путей. Адм. Макаров, исследовав многие подобные течения (начиная с того, которым Черное море меняет свои воды со Средиземным и кончая многими течениями Тихого океана, см. Океаны) в морях, океанах и их проливах, установил и ту разность высот различных морей, которая происходит от этой разности плотностей В. различных морей, хотя бы и сообщающихся друг с другом. Так, напр., уровни Черного, Балтийского и Бискайского моря не вполне одинаковы. Отсюда уже видно, что данные для плотности В. играют важную роль в учениях, касающихся равновесий и движений воды на земле.

Так как вода, замерзая, сильно расширяется (100 об. В. при 0° дают 109 об. льда), то при замерзании В., попавшей в трещины дерев или камней или налитой в сосуд (даже в кадь, если замерзание идет сверху), они лопаются, так как сжимаемость В. (см. далее) и льда очень малы и крепость стенок сосудов не выдерживает такого давления, которое отвечает получающемуся расширению. Но и помимо наибольшей плотности изменение веса куб. меры В. при нагревании представляет много примечательного, потому что глубоко отличает В. от всех других жидкостей. Все они изменяют свой уд. вес почти равномерно с возрастанием температуры, так что приращение ее на 1° уменьшает их уд. вес при разных температурах почти на одинаковую величину, как видно в прилагаемой таблице, где даны стотысячные доли изменения уд. веса при 4-х температурах:

В других свойствах В. замечается также много своеобразных особенностей по сравнению со свойствами иных жидкостей, так что В. в физическом смысле обладает совокупностью таких признаков, которые ее выделяют из круга прочих жидкостей, как выделяется она и по ее общему распределению и по роли в природе. Но, превращаясь в пар, она, как всякие жидкости, способные переходить в пар, дает вещество, обладающее общею совокупностью признаков, свойственных газам и парам (см. эти сл.), так что и объем паров В. и его изменение с давлением, температурою и составом подчиняются совокупности трех законов, управляющих газообразным состоянием вещества (законы Бойля-Мариотта, Шарля-Гей-Люссака и Авогадро-Жерара, см. Частицы). Так, по закону Авогадро-Жерара вследствие того, что частица В. есть H ₂ O (см. далее II), плотность ее паров вдали от насыщения и диссоциации близка к ¹⁸/₂ (где 18 есть частичный вес воды Н ₂ О, а 2 общий делитель) или к 9 по отношению к водороду. А так как водород в 14,4 раза легче воздуха, то разочтенная по составу плотность водяных паров относительно к воздуху близка к ⁹/₁₄, или к 0,625. А так как куб. метр воздуха весит (см. Воздух) 1,293 килогр. при 0° и 760 мм, то для куб. метра водяного в тех же условиях вычисляется вес 0,808 килогр., а при давлении h мм и температуре t вес куб. метра паров в килограммах вычисляется:
[0,808(h/760)] x [273/(273 + t)]

Этот расчет дает числа совершенно близкие (как и для всех др. газов и паров) к наблюдаемым, если пар далек от насыщения, то есть перегрет (газы и суть перегретые пары); но (как для других паров) если пар насыщает пространство, то наблюдаемые числа более вычисляемых, напр., для давления h = 760 мм и t = 100° (след., пар насыщен) вычисляется вес куб. метра 0,592, а наблюдается 0,606. Для насыщенного пара принимают (Цейнер и др.) вес куб. метра равным:
0,6061 p 0,9393 килограммов,
где p есть давление, выраженное в атмосферах. В прилагаемой табл. даны веса куб. метра насыщенного пара В. в килогр. при различных температурах.